0 引言

位于中国南海某盆地的E油田，储层主要分布在H组下部地层，储层岩性为长石石英砂岩，以细砂岩为主，粒间孔分布较均匀，孔隙连通性较好。该油田地层条件下原油密度为0.919~0.935 g/cm³，原油黏度为111.18~277.77 mPa·s，属于常规稠油。测井解释数据表明，E油田主力储层密度为2.11~2.22 g/cm³，孔隙度为24.6%~26.7%，渗透率为250~662 μm²，属于中孔、高渗疏松砂岩储层。

与大部分疏松砂岩稠油油藏类似，E油田开发过程中极易出砂^[1-3]。出砂会给油井正常生产带来诸多不利影响，如磨蚀井筒举升设备、井口设备和地面管线，砂埋储层造成产能下降甚至停产等^[4]。因此，E油田主力储层开发中必须进行防砂完井。在海上油田开发中，防砂工艺和防砂参数的选择对有效提高单井产能和维持油田正常生产具有重要意义^[5-6]。E油田开发井完井采用悬挂独立筛管简易防砂，但投产后大部分油井产能无法满足油田开发方案设计要求。因此，为了确定合理的防砂工艺与防砂参数，实现该油田的高效开发，需要进行优质筛管简易防砂和砾石充填防砂物理模拟试验，通过分析试验数据对防砂工艺和防砂效果进行评价。

1 防砂评价试验装置

对于疏松砂岩油藏，国内外采用的机械防砂方式一般为独立优质筛管防砂、砾石充填防砂或压裂充填防砂。为了评价不同防砂工艺条件下防砂参数对防砂效果的影响，大多利用全尺寸防砂模拟试验装置进行室内试验^[7-10]。针对E油田开发井中H组疏松砂岩储层的物理特性，分别进行了优质筛管简易防砂和砾石充填防砂试验，试验基本流程如图 1所示。

将全尺寸筛管放置在模拟水平井筒中，主控系统启动三缸柱塞泵，电脑控制采用恒定流量，模拟现场油井生产过程中产出液通过地层，携带地层砂流入井筒的过程。图 1中箭头方向为流体流动方向，试验过程中流体循环流动，循环介质为质量分数3%的KCl溶液和复配地层砂的混合液。模拟水平井筒中安装有压力传感器，压力数据由电脑自动采集存储。在高压取样阀处，可以对模拟井筒中的返出液进行取样、烘干、称重，根据出砂量大小评价防砂筛管挡砂效果。试验完成后，绘制时间-压力、时间-等效渗透率以及时间-比采液指数变化关系曲线，用于评价筛管的抗堵塞性能和对产能的影响。

简易防砂水平井筒筛管安装及流体流动示意图如图 2所示。砾石充填防砂水平井筒筛管安装及流体流动示意图如图 3所示。

进行优质筛管简易防砂模拟试验时，模拟水平井筒中只安装筛管，流体在恒流泵驱动下从供液管线中注入模拟井筒，经过独立筛管后，从模拟井口部位返出，经回液管线返回混砂罐。

进行砾石充填防砂模拟试验时，流体流动路线与简易防砂模拟试验相同，不同之处在于模拟水平井筒中筛管和井筒的环空中充填砾石。

2 试验参数设计 2.1 模拟地层砂配置

为了充分模拟现场防砂真实条件，选取E油田H18储层不同小层的地层砂样，利用干式粒度筛析仪对该储层的地层砂进行粒度筛析。根据粒度筛析结果，按粒度累计百分比配置模拟试验用砂，提高模拟地层出砂的准确性和有效性。H18储层实际砂样粒度筛析结果与模拟试验复配砂粒度分布对比情况如图 4所示。

储层实际粒度中值78~172 μm，非均匀系数2.5~4.0。实验室复配砂粒度中值约120 μm，非均匀系数约3.4。

2.2 筛管型号及充填砾石尺寸

选用三种型号的桥式复合筛管用于模拟试验，挡砂精度分别为125、149和177 μm。对于充填砾石尺寸的选择，则根据Saucier提出的最优砾石尺寸设计方法^[11]，即砾石尺寸为配砂粒度中值的5~6倍。试验配砂粒度中值为120 μm，则砾石直径应选择600~720 μm，查阅标准工业砾石尺寸与孔喉直径对照表，20~40目标准工业砾石粒径中值为635 μm，符合Saucier砾石尺寸设计原则。因此，试验中分别采用125、149和177 μm 3种挡砂精度的桥式复合筛管进行简易防砂试验，同时对筛管外充填20~40目砾石进行了砾石充填防砂试验。设计试验参数如表 1所示。

简易防砂试验中恒流泵排量300 L/min，砾石充填防砂试验中恒流泵排量10~40 L/min，混砂液体积分数均为5%。

3 试验结果分析

在设计的防砂评价试验装置中，自动采集恒定流量条件下入口压力与出口压力的数值，两者之差即为模拟的现场生产压差。在试验过程中，由于砂粒在防砂管或充填砾石层内外的堆积和堵塞作用，入口压力会随试验时间的延长而不断升高，即压差增大。根据平面径向流产能公式^[12]，可以推导出防砂管和充填砾石层的等效渗透率计算公式：

(1)

式中：K_e为等效渗透率，m²；Q为流量，m³/s；μ为流体黏度，Pa·s；L为防砂管长度，m；Δp为压差，Pa；r_o和r_i分别为模拟井筒内半径和防砂管内半径，m。

同时，根据试验中流量和压差，可以计算比采油指数，其数学表达式为^[13]：

(2)

式中：J_o为比采油指数，m³/(d·m·MPa)。

等效渗透率和比采油指数都可以反映试验过程中筛管的堵塞程度，等效渗透率和比采油指数越小，表明筛管的堵塞越严重。同时，比采油指数还可以反映使用不同筛管时的模拟产能状况。

3.1 简易防砂试验结果

设挡砂精度为125 μm的筛管为A筛管，挡砂精度为145 μm的筛管为B筛管，挡砂精度为177 μm的筛管为C筛管，则3种不同挡砂精度的筛管进行简易防砂模拟试验过程中，入口压力随试验时间的变化情况如图 5所示。由图 5可以看出：在试验初期，3种筛管入口压力均低于1 MPa，随着试验的进行，砂粒不断堆积堵塞防砂管，导致入口压力逐渐升高；3种筛管分别在约9、11和13 min时入口压力突然升高至9 MPa以上，表明防砂管发生严重堵塞，试验终止。

简易防砂试验中，等效渗透率和比采油指数随时间的变化情况分别如图 6和图 7所示。两者的变化规律基本一致，在试验过程中，挡砂精度为177 μm筛管的等效渗透率和比采油指数随时间下降最快，但后续较长时间内保持缓慢降低趋势；挡砂精度为125 μm筛管的等效渗透率和比采油指数一直缓慢降低，在试验的后半段时间保持最高；挡砂精度为149 μm筛管的等效渗透率和比采油指数在试验前半段时间高于其他两种筛管，在约5 min后快速下降，最终等效渗透率和比采油指数均降为最低。

3种筛管发生严重堵塞时的试验时间及严重堵塞前平均比采油指数对比情况如图 8所示。从图 8可以看出，挡砂精度为149 μm的防砂管在试验中最早发生严重堵塞，但在严重堵塞前的平均比采油指数为其他两种防砂管的2~3倍。

因此，通过桥式复合筛管简易防砂室内模拟试验可以得出：E油田H18储层如果采用简易防砂，挡砂精度为149 μm的防砂筛管能够获得较高产能，但也最容易发生堵塞；挡砂精度为125 μm的防砂筛管抗堵塞性能相对最好，但产能低于挡砂精度为149 μm的防砂筛管。

3.2 砾石充填防砂试验结果

砾石充填防砂筛模拟试验中，不同挡砂精度防砂管管外充填20~40目砾石后，入口压力随试验时间的变化如图 9所示。由图 9可以看出，3种防砂筛管入口压力均随恒流泵排量增大逐渐升高，挡砂精度为149 μm的防砂筛管压力升高速率明显低于另外两种挡砂精度的筛管。

3种不同挡砂精度的筛管在砾石充填模拟试验中等效渗透率和比采油指数随试验时间的变化情况分别如图 10和图 11所示。由图 10和图 11可以看出：在试验的前20 min之内，挡砂精度为149 μm的筛管等效渗透率和比采油指数均远高于其他两种筛管；而20 min之后，挡砂精度为149和125 μm的两种筛管等效渗透率、比采油指数数值接近，约为挡砂精度为177 μm筛管的2倍。因此，根据砾石充填模拟试验结果，挡砂精度为149 μm的筛管在充填20~40目砾石条件下抗堵塞能力最强。

砾石充填防砂工艺利用筛管外充填的砾石作为挡砂介质^[14]，在混砂液运移过程中砂粒大部分被砾石层过滤而不会直接通过筛管。因此，与独立筛管简易防砂相比，砾石充填防砂有效挡砂介质更厚，抗堵塞能力更强。从简易防砂试验和砾石充填防砂试验的有效渗透率和比采油指数曲线也可以看出，简易防砂中一旦筛管严重堵塞，有效渗透率和比采油指数都会迅速下降；而砾石充填防砂即使挡砂介质发生堵塞，有效渗透率和比采油指数尽管也会较未堵塞时明显下降，但仍可在较长时间内保持稳定。

在简易防砂试验和砾石充填防砂模拟试验进行过程中，从出口取样和过滤获得的数据表明，两种防砂方式在试验挡砂精度条件下出砂质量分数均低于0.03%，符合海洋石油防砂标准。根据试验结果，从防砂效果和长期产能分析，建议E油田H18储层采用149 μm防砂筛管管外充填20~40目砾石防砂。

4 结论及建议

(1) E油田H18储层属于疏松砂岩储层，粒度中值78~172 μm。室内复配粒度中值约120 μm的砂粒进行简易防砂和砾石充填防砂物理模拟试验具有较好的代表性。

(2) 简易防砂条件下，挡砂精度为125 μm的筛管抗堵塞性能最好，挡砂精度为149 μm的筛管尽管最容易堵塞，但总体比采油指数最高。

(3) 砾石充填防砂条件下，管外充填20~40目砾石，挡砂精度为149 μm的筛管抗堵塞性能和比采油指数均优于挡砂精度为125和177 μm的筛管。

(4) 3种挡砂精度的筛管在简易防砂和砾石充填防砂条件下出砂量均满足有效防砂要求。砾石充填防砂能够延缓筛管堵塞过程，因此建议E油田H18储层采用149 μm防砂筛管管外充填20~40目砾石防砂。